基于BIM技術的混凝土橋梁力學信息分類方法研究

史國剛 元宇 周強 劉震豪

（1.江蘇省交通運輸廳公路事業發展中心，江蘇 南京 210004；2.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

力學分析數據作為評判橋梁工程結構安全最為重要的依據，在確保結構安全、確定施工方案、分析橋梁病害中都將起到關鍵性作用。然而在項目建設過程中，力學數據難以無損傳遞，項目建設完成后力學分析數據無法追溯，導致后續結構安全驗算難以獲取設計、施工、養護過程中的歷史數據，只能依靠工程人員的經驗選取各材料參數，造成橋梁力學計算數據的不連續性。本文結合BIM技術，借鑒BIM構件分類思想，探索基于BIM的混凝土橋梁力學信息分類方法，通過BIM模型實現力學信息全生命期流轉，為橋梁工程結構安全評判提供全面準確的原始數據。

一、力學信息分類原則和方法

（一）分類的基本原則

通過分析橋梁BIM構件和力學計算的特點，力學計算信息是針對橋梁主要受力構件的數字描述，兩者描述事物的顆粒度是相同的，且存在著映射的關系。力學信息按照構件的形式進行細分，能確保數據的完整、無缺失。同時，為保障力學信息能隨著BIM模型進行全生命期傳遞，用在細分的表格中設置與構件編碼相同的表頭編碼（ID）的方法，實現兩者的關聯。

根據上述原則，不僅可以明確信息與模型的關聯性，而且可以避免信息重復，確保信息的唯一性，保障后續建立力學信息數據庫的準確性。

（二）力學信息的細分方法

橋梁力學信息包含的層次較廣，宏觀的涉及橋梁的等級，微觀的涉及支座的變形。為保證力學信息劃分邏輯清晰，按照力學分析過程，將混凝土橋梁力學信息分為三類：力學屬性信息、力學過程信息和力學結果信息，如圖1所示。力學屬性信息屬于常規信息，用于展現滿足構件材料力學屬性參數；過程信息用于分析橋梁現有載荷下的內力信息；而力學結果信息主要用于判定結構是否安全。

圖1 橋梁力學分析總體過程

橋梁的力學信息是以BIM構件為載體，因此力學信息應符合構件編碼的原則。按照江蘇省地標《公路工程信息模型構件分類與編碼規則》（DB32/T3503-2019），對橋梁的每一個構件進行編碼，如圖2所示。其中，部位代碼采用4層7位數字型代碼，用以表征單項工程、專業段、區段及左右幅；分類代碼采用4層8位數字型代碼，不同構件的專業代碼，如橋梁→上部結構→承重結構→梁逐層遞進；實例代碼采用2層4位或1層4位數字型代碼，用以區分每一個具體構件順序號。

圖2 BIM構件編碼組成

按照上述編碼的原則對構件進行逐級排列，形成了橋梁BIM特征樹，如圖3所示。而根據橋梁構件的承重特性，將橋梁構件分為主要受力實體構件、非主要受力實體構件和非實體構件三類，其中主要受力的實體構件（如：梁）會隨著外力的作用產生不同的力學響應，包含了力學屬性信息、力學過程信息和力學結果信息等三種屬性，而在非實體構件（如：上部結構）上不體現力學響應，只包含通用型的力學屬性信息。

圖3 橋梁BIM特征樹組成

二、力學信息分解

由于橋梁的主要受力構件包含了力學屬性信息、力學過程信息和力學結果信息等三類，故選取橋梁上部結構中的單片梁構件作為對象，對力學信息展開細致的分解。

圖4 橋梁按照構件進行力學信息分解

（一）力學屬性信息分類

按照《公路工程信息模型構件分類與編碼規則》（DB32/T3503-2019）對橋梁的主要受力構件進行細分，將力學的固有屬性劃入力學屬性信息類，包含一般非幾何信息和材料拓展非幾何信息兩類。其中一般非幾何信息包含材料類型和材料型號等；而材料拓展非幾何信息則可分為物理性能指標、設計強度指標等，即力學屬性信息。

表2 力學屬性信息分類一覽表

（二）力學過程信息分類

在工程設計完成后，混凝土橋梁的形式和長度等重要指標都不會發生較大的變化，將已有固定的結構特性和計算結果信息，以構件的特點進行分解和存儲，并通過編碼規則，建立力學過程信息與橋梁構件映射關系。力學過程信息劃分為輸入信息和輸出信息兩種類型，輸入信息是對橋梁工程中荷載類別的表述，如表3所示；輸出信息則是反映構件效應值的數據，如表4所示。

表3 力學過程輸入信息一覽表

表4 力學過程輸出信息一覽表

（三）力學結果信息的分類

與力學屬性信息的分類方式相似，根據每個構件的驗算結果，將構件的受力結果信息分為承載力極限狀態、持久狀況、短暫狀況及正常使用極限狀況，如表5所示。

表5 力學結果信息分類一覽表

三、應用實例

為方便表述，選取實際工程的空心板、小箱梁和懸澆梁三種類型的橋梁，將工程力學信息進行梳理分解，建立項目工程力學數據庫，驗證基于BIM的橋梁力學基礎信息分類方法的可行性。

空心板橋橋跨采用3m×16m，橋寬28.25m；小箱梁橋橋跨采用2m×30m+42m+2m×29.5m，橋寬30m；懸澆梁橋橋跨采用83m+145m+83m，橋寬39.5m，橋梁屬性如表6所示。

三座橋梁項目的部分力學基礎信息分類數據內容如表7和表8所示。表中的ID與《公路工程信息模型構件分類與編碼規則》中的構件分類編碼一致，實現構件和信息的關聯，非實體構件，如上部結構，包含了力學過程信息中荷載的輸入信息；而對于實體構件，如梁，則包含了材料信息、輸出效應和截面抗力在內的三種力學信息。

表6 橋梁工程（19-04.00.00.00）

表7 上部結構（19-04.01.00.00）

表8 梁構件（19-04.01.01.02）

在設計階段將力學信息進行標準化，形成上述的力學信息屬性表，每個屬性表格均設置有唯一的表頭ID編碼，如空心板橋中梁構件的編碼為0032010-04010102-0102，通過檢索力學信息屬性表格中相同的表頭ID，使幾何構件與力學信息屬性表一一對應。在施工、養護階段，通過BIM模型與力學信息的關聯，在保證信息可追溯性的同時，也可與現場實測值進行對比，為橋梁結構安全服務。

四、總結與展望

（1）本文基于BIM信息可共享的優勢，將橋梁力學基礎信息進行結構化細分，使原有的設計計算書轉化為數字化的信息，并可以隨著BIM模型進行傳遞，實現了全生命期的數字化存儲，在后續的施工、養護等階段可以調用力學數據，實現力學數據的可溯源；

（2）針對橋梁工程計算文件和BIM模型的特點，提出了依據工程主要受力構件的顆粒度，將構件的力學信息劃分為力學屬性信息、力學過程信息和力學結果信息三種類型，在確保力學信息滿足傳遞需求的同時，避免出現大量的重復表述；

（3）本文基于BIM的理念，針對橋梁工程力學信息分類進行了數字化探索，并分別選取空心板、小箱梁和懸澆梁等混凝土橋梁工程實例，驗證了力學信息分類方法的合理性。